JP2007018837A - 燃料電池の水素ガス希釈装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構造で水素の高濃度排出を防止することができる燃料電池の水素ガス希釈装置を提供する。
【解決手段】 燃料電池から排出される水素を導入させる排出水素導入配管３と、水より比重の大きな液体Ｌを蓄える貯留タンク２とを有し、排出水素導入配管３を前記貯留タンク２の下部に接続し、貯留タンク２の上部に水素を希釈する希釈ガスとしてアノードオフガスを導入させる。排出水素導入配管３から放出された水素は、邪魔板２ｃによって時間遅れを発生させながら分散されて液体Ｌ内を上昇する。また、水素とともに排出された水は、液体Ｌとの比重差によって液体Ｌ内を浮き上がり、カソードオフガス配管ｃ２を介して排出される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、パージ時に燃料電池から排出された水素を希釈する燃料電池の水素ガス希釈装置に関する。

燃料電池自動車などに搭載される燃料電池は、例えば、固体高分子電解質膜の両面をアノード極とカソード極とで挟み、アノード極に水素、カソード極に空気（酸素）を供給して化学反応させることにより、電気エネルギーの取出しを行っている。ところで、この種の燃料電池が搭載されたシステムでは、燃料の無駄な使用を避けるために、燃料電池から排出された未反応の水素を再び燃料電池に戻して循環させることが行われている。このため、カソード極に供給された空気中の窒素が固体高分子電解質膜を介してアノード極側に透過することがあり、これによってアノード極側の水素濃度が低下して、発電性能が低下する。また、水素と酸素との化学反応による副生成物として水が生成され、この水がアノード極に蓄積されることによっても、発電性能が低下する。

そこで、発電性能が低下するのを防止するための技術として、水素を循環させる循環ルートにカソードオフガス配管に接続される分岐路を設け、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合して希釈装置に導入することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２８９２３７号公報（段落０１３３，０１３４、図８）

しかしながら、従来の希釈装置では、燃料電池から排出された水素を一時的に滞留させるための滞留室や混合室を設け、さらに滞留室や混合室内で滞留させた水素をエアと混合させるとともに、エアと混合された水素を排出するための分岐配管が必要になり、構造が複雑になる。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、簡単な構造で、高濃度の水素が排出されるのを防止することができる燃料電池の水素ガス希釈装置を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池から排出される水素を導入させる排出水素導入路と、液体を蓄える貯留タンクとを有し、前記排出水素導入路を前記貯留タンクの下部に接続し、前記貯留タンクの上部に前記水素を希釈する希釈ガスを導入させることを特徴とする。

本発明によれば、液体中に水素を導入することにより、水素が液体によって分散されながら、その浮き上がり速度が抑制されるので、水素に時間遅れを生じさせて希釈ガスと混合させることができ、瞬間的に水素濃度が高まるのを抑えることができる。

また、前記液体は、水よりも比重の大きな液体であることが好ましい。これにより、燃料電池から水素とともに排出される水を比重差によって液体の表面に浮き上がらせて、希釈ガスとともに排出させることができる。

また、前記貯留タンク内には、邪魔板が設けられていてもよい。これにより、水素をさらに時間遅れで希釈ガスと混合させることが可能になり、高濃度水素の排出を防止できる。

また、前記液体は、使用環境下において不凍、かつ、不揮発性のものであることが好ましい。これにより、低温環境下での長期間の使用にも耐えることが可能になる。

本発明の燃料電池の水素ガス希釈装置によれば、簡単な構造によって、水素が高濃度で排出されるのを防止することができる。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の水素ガス希釈装置が設けられた燃料電池システムを示す構成図、図２は水素ガス希釈装置内を模式的に示す図である。
図１に示すように、第１実施形態の水素ガス希釈装置１Ａが設けられた燃料電池システムＦ１は、燃料電池ＦＣ、アノード系１０、カソード系２０、制御部３０などを備えて構成されている。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子型であるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池であり、電解質膜の両面にアノード極とカソード極とを設けた膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟んで構成された単セルを、複数積層した構造を有している。

前記アノード系１０は、燃料電池ＦＣのアノード極に水素を供給し且つアノード極から水素を排出するものであり、アノードガス配管ａ１、アノードオフガス配管ａ２、高圧水素タンク１１、水素循環装置１２、パージ弁１３などを備えている。

前記アノードガス配管ａ１は、一端が燃料電池ＦＣのアノード極の入口側に接続され、他端が高圧水素タンク１１と接続されている。また、前記アノードオフガス配管ａ２は、その一端が燃料電池ＦＣのアノード極の出口側に接続され、他端がパージ弁１３に接続されている。

前記高圧水素タンク１１は、例えば、高純度の水素を非常に高い圧力で蓄積可能な容器と、電磁式の遮断弁（図示せず）とを備えて構成されている。制御部３０が、遮断弁を開弁することにより、アノードガス配管ａ１を介して燃料電池ＦＣのアノード極に向けて水素が供給されるようになっている。

前記水素循環装置１２は、燃料電池ＦＣから排出された水素を再び燃料電池ＦＣに戻して循環させるものであり、エゼクタ１２ａと循環配管１２ｂとで構成されている。エゼクタ１２ａは、アノードガス配管ａ１に設けられ、循環配管１２ｂの一端がエゼクタ１２ａと接続され、他端がアノードオフガス配管ａ２と接続されている。このように、水素循環装置１２を設けて水素を循環させることにより、水素の無駄な使用などを防止できるようになっている。

前記パージ弁１３は、アノードオフガス配管ａ２に、前記循環配管１２ｂの他端よりも下流側に設けられている。このパージ弁１３は、後記する制御部３０によって、例えば定期的に開閉制御される。

前記カソード系２０は、燃料電池ＦＣのカソード極に酸化剤としてのエア（空気）を供給し且つカソード極からエアを排出するものであり、カソードガス配管ｃ１、カソードオフガス配管ｃ２、コンプレッサ２１、加湿器（図示せず）などを備えている。

前記カソードガス配管ｃ１は、一端が燃料電池ＦＣのカソード極の入口側に接続され、他端がコンプレッサ２１に接続されている。また、前記カソードオフガス配管ｃ２は、一端が燃料電池ＦＣのカソード極の出口側に接続され、他端が水素ガス希釈装置１Ａを通って燃料電池システムＦ１の系外に通じている。

前記コンプレッサ２１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等からなり、図示しないフィルタを介してカソードガス配管ｃ１にエアが導入される。前記加湿器は、コンプレッサ２１の下流側に設けられ、コンプレッサ２１からの空気を燃料電池ＦＣでの発電に適した湿度に加湿するものである。この加湿器は、例えば、燃料電池ＦＣのカソード極から排出されたカソードオフガス（加湿エア＋生成水）によって、コンプレッサ２１から導入された乾燥したエアを加湿する。

なお、前記燃料電池システムＦ１には、さらに図示しないラジエタや循環ポンプなどから構成された冷却系が設けられており、この冷却系により、燃料電池ＦＣが発電に伴って発生した熱を大気中に放出するようになっている。

前記制御部３０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路、入出力インタフェース等から構成されており、図示しないセンサによって検出された各種の運転情報に基づいて、前記高圧水素タンク１１に設けられた遮断弁（図示せず）、コンプレッサ２１のモータの回転出力、パージ弁１３の開閉動作などを制御する。

第１実施形態の水素ガス希釈装置１Ａは、燃料電池ＦＣの下流側に設けられ、貯留タンク２と排出水素導入配管３とを備えて構成されている。この排出水素導入配管３が、本発明での排出水素導入路に相当している。

図２に示すように、前記貯留タンク２は、例えば筒状に形成され、その内部に液体Ｌが、貯留タンク２内の上部２ａに所定の空間が形成される程度に貯められている。

さらに、液体Ｌは、例えば、非極性、かつ、水よりも比重の大きな液体である。このような特性の液体を用いることで、水素とともに導入される水を、液体と水との比重差によって液体Ｌ中を浮上させることができる。

ここでの液体Ｌとしては、前記した各特性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、エチレングリコールなどのグリコール類、グリセリンなどのアルコール類などを挙げることができる。なお、本発明の効果を損なわない範囲において、防錆剤などの各種の添加剤を使用できる。

なお、液体Ｌは、システムの使用環境下において、不凍、かつ、不揮発性のものであってもよい。このような特性の液体を用いることで、寒冷地や冬季など低温環境下での長期間の使用にも耐えることができる。

また、前記貯留タンク２には、カソードオフガス配管ｃ２が、貯留タンク２の上部２ａつまり貯留タンク２内の液体Ｌの表面よりも上側を通るように、貯留タンク２に接続されている。

また、前記貯留タンク２内には、複数枚の邪魔板２ｃ，２ｃ，２ｃが設けられている。各邪魔板２ｃは、その上部と下部を完全に遮断するものではなく、部分的に上部と下部とが連通するような形状および配置となっている。なお、本実施形態の効果を損なわない範囲において、邪魔板２ｃの枚数、大きさ、傾き、間隔などは適宜変更することができる。

前記排出水素導入配管３は、前記貯留タンク２とパージ弁１３とを接続するものであり、貯留タンク２の下部２ｂつまり貯留タンク２の底部に近い側面にその先端が貯留タンク２内に突出するように接続されている。

次に、第１実施形態の水素ガス希釈装置１Ａの動作について説明する。
燃料電池ＦＣのアノード極に高圧水素タンク１１から水素が、コンプレッサ２１が運転されて、カソード極に空気がそれぞれ供給されると、水素と空気中の酸素とが電気化学反応することによって発電が行われる。発電された電力（発電電流）は、例えば燃料電池システムＦ１が車両に搭載されるものであれば、図示しない走行モータや補機などの負荷に供給される。ところで、燃料電池ＦＣのアノード極では水素循環装置１２によって水素が循環するように構成されているため、燃料電池ＦＣの発電が継続されると、カソード極に供給された空気中に含まれる窒素が電解質膜を介してアノード極に透過し、また、カソード極において発電に伴って生成された水が電解質膜を介してアノード極に透過して、アノード極の水素濃度が低下する。その結果、燃料電池ＦＣの発電性能が低下することがある。そこで、高圧水素タンク１１から水素を供給しながら、制御部３０からの制御によってパージ弁１３を、例えば定期的（所定時間毎）に開閉することで、アノード極に蓄積した窒素などの不純物を排出するとともに新たな水素を導入することで、燃料電池ＦＣの発電性能の低下を防止している。

制御部３０の制御によってパージ弁１３が開弁すると、排出水素導入配管３を介して貯留タンク２内に、窒素などの不純物とともにアノード系１０内の水素や水が導入される。貯留タンク２内に水素が導入されると、水素は、貯留タンク２内を、カソードオフガス配管ｃ２に向けて浮き上がる。このとき、貯留タンク２内の液体Ｌは、水素の浮上を邪魔し、水素に対して時間遅れを生じさせながら貯留タンク２内を上昇させる。さらに、貯留タンク２に導入された水素は、複数の邪魔板２ｃによってその進路が邪魔されるので、一層時間遅れを生じながら浮き上がることとなる。液体Ｌの表面（上面）まで到達した水素は、液体Ｌから飛び出して、カソードオフガス配管ｃ２を流通するカソードオフガス（希釈ガス）によって希釈された後に大気中へと排出される。このように、燃料電池ＦＣのパージ時に排出された水素を、液体Ｌに流通させることによって、高濃度の水素が一気に放出されるのを防止することが可能になる。なお、邪魔板２ｃは、設置されない構成であってもよい。パージ終了後は、パージ弁１３を閉じることにより、貯留タンク２内への水素や水の導入が停止される。

また、液体Ｌを、非極性で水より比重の大きなものとすることにより、貯留タンク２内に導入された水も比重差で液体Ｌ中を浮上させることができるので、水素と同様にカソードオフガス配管ｃ２を介して大気中へ排出できる。

なお、燃料電池システムＦ１の運転停止後は、低温環境下での運転停止にも対応できるように、貯留タンク２内に残留している水の凍結に備えて、充分に排水して停止することが好ましい。

（第２実施形態）
図３は第２実施形態の水素ガス希釈装置が設けられた燃料電池システムを示す構成図である。
第２実施形態の水素ガス希釈装置１Ｂは、カソードオフガス配管ｃ２に、希釈ガスとして燃料電池ＦＣに供給される前の乾燥したガスが供給されるように構成したものである。すなわち、第２実施形態での水素ガス希釈装置１Ｂは、前記燃料電池システムＦ１に、バイパス配管４と開閉弁５，６とを追加した構成となっている。なお、水素ガス稀釈装置１Ｂの構成は前記水素ガス希釈装置１Ａと同様であり、またその他の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

前記バイパス配管４は、その一端が燃料電池ＦＣの上流側のカソードガス配管ｃ１に接続され、他端が燃料電池ＦＣの下流側のカソードオフガス配管ｃ２に接続されている。なお、カソードガス配管ｃ１に前記した加湿器が設けられている場合には、加湿器の上流側でカソードガス配管ｃ１とバイパス配管４とが接続される。

前記開閉弁５は、カソードガス配管ｃ１のバイパス配管４との接続部よりも下流側に、前記開閉弁６は、バイパス配管４にそれぞれ設けられている。各開閉弁５，６は、制御部３０によって開閉制御される。

このように構成された水素ガス希釈装置１Ｂでは、燃料電池ＦＣの発電中においては、制御部３０によって、開閉弁５が開弁するとともに開閉弁６が閉弁するように制御されることで、パージ時に貯留タンク２に導入された水素が、カソードオフガス配管ｃ２へ時間遅れをもって排出され、高濃度水素の排出を防止できる。

また、前記水素ガス希釈装置１Ｂでは、燃料電池ＦＣの発電停止時においては、コンプレッサ２１を停止させる前に、開閉弁５が閉弁するとともに開閉弁６が開弁するように制御されることで、貯留タンク２を介してカソードオフガス配管ｃ２へ水素とともに排出された水が、カソードオフガス配管ｃ２を流通する希釈ガス（カソードオフガス）によって希釈される。このときの希釈ガスは、燃料電池ＦＣを経ずにカソードオフガス配管ｃ２に直接に導入された乾燥したガス（エア）であるので、貯留タンク２内に残留している水を気化させるなどして確実に排出することが可能になる。よって、燃料電池システムＦ１を寒冷地や冬季などの低温環境下において使用する場合に、貯留タンク２内に残留した水が凍結して、機器が破損するといった不都合を回避することができる。

第１実施形態の水素ガス希釈装置が設けられた燃料電池システムを示す構成図である。 第１実施形態の水素ガス希釈装置内を模式的に示す図である。 第２実施形態の水素ガス希釈装置が設けられた燃料電池システムを示す構成図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 水素ガス希釈装置
２ 貯留タンク
２ｃ 邪魔板
３ 排出水素導入配管（排出水素導入路）
ＦＣ 燃料電池
Ｌ 液体

Claims (4)

1. 燃料電池から排出される水素を導入させる排出水素導入路と、液体を蓄える貯留タンクとを有し、前記排出水素導入路を前記貯留タンクの下部に接続し、前記貯留タンクの上部に前記水素を希釈する希釈ガスを導入させることを特徴とする燃料電池の水素ガス希釈装置。
2. 前記液体は、水よりも比重の大きな液体であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の水素ガス希釈装置。
3. 前記貯留タンク内には、邪魔板が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の水素ガス希釈装置。
4. 前記液体は、使用環境下において不凍、かつ、不揮発性のものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池の水素ガス希釈装置。

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